EP0110734B1 - Tube à rayons X produisant un faisceau à haut rendement, notamment en forme de pinceau - Google Patents
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- EP0110734B1 EP0110734B1 EP83401889A EP83401889A EP0110734B1 EP 0110734 B1 EP0110734 B1 EP 0110734B1 EP 83401889 A EP83401889 A EP 83401889A EP 83401889 A EP83401889 A EP 83401889A EP 0110734 B1 EP0110734 B1 EP 0110734B1
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- H01J35/32—Tubes wherein the X-rays are produced at or near the end of the tube or a part thereof which tube or part has a small cross-section to facilitate introduction into a small hole or cavity
Definitions
- the present invention relates to an X-ray tube producing a high-efficiency beam, in particular in the form of a brush, applicable to the fields of radiology.
- An X-ray tube generally has an anode and a cathode, which emits electrons; these electrons will bombard part of the anode called the anode target, and the impact of these electrons on the surface of the anode target determines a focus from which X-rays are emitted in all directions.
- a useful beam of X-rays is determined; such a useful beam being in any case weaker than the totality of the X-rays emitted at the focus.
- the useful X-ray beam represents approximately 5% of the X-ray radiation emitted at the focus, and in the case of tubes for CT scanners, this percentage is of the order of 1%.
- an electrical power feeding the tube, as well as a heat loss will be all the more important that, for a useful beam of given intensity, necessary for a type of examination for example, the collimation will have been stronger. in order to give this useful beam a geometry required by the examination.
- a useful beam in the form of a brush can be obtained by means of strong collimation; in this case the useful beam represents a negligible fraction of the X-rays emitted at the focus, for a considerable energy expended in the electrical supply of this X-ray tube.
- the anode target or more precisely the dimensions of the point of impact of the electron beam are such that the X-ray radiation tends to diverge.
- the incident electron beam is highly divergent and the length of the anode is of the order of magnitude of the diameter so that, on the one hand, the energy efficiency is relatively weak and, on the other hand, the X-ray diverges at the exit of the anode.
- the object of the present invention is therefore to produce an X-ray tube of the annular anode type which produces a beam with a high energy efficiency that is slightly divergent.
- the invention relates to an X-ray tube comprising a cathode generating an electron beam, an anode provided with a rectilinear hole having a section substantially identical to itself over its entire length, said hole having interior walls bombarded by the electron beam over a length from which X-ray radiation is generated, said cathode being external to the anode, said electron beam penetrating through a first end of the hole substantially along a longitudinal axis of the latter, characterized in that that it further comprises a deflection lens (20) located on the path of the electron beam (10), making it possible to modify the trajectories (T1, ...
- Tn Tn of the electrons so that the latter bombard the interior walls (9) of the hole (5) at angles of variable incidence and over a distance L1 which is variable in position and in length, said position and said bombarded length being chosen as a function of the divergence of the electron beam and the diameter of the hole so that the X-ray emerges from one of the ends of the hole in a beam FX1 conformed within the parallel limits or presence at the longitudinal axis.
- Figure 1 shows schematically in a perspective view, an X-ray tube 1 having certain characteristics of the invention; this etane representation limited to characteristic elements shown in an envelope 2, thanks to an opening made in the design of this envelope.
- the envelope 2 supports a cathode 3, and by conventional means not shown, an anode 4.
- this anode 4 is a cylinder provided with a hole 5 having a section S identical to it - even over an entire length L 2 of this hole. Internal walls 9 of the hole 5 are thus parallel to a longitudinal axis 6 of this hole 5.
- the section S of the hole 5 is circular, having a diameter D, so therefore, that of the first and second ends 7, 8 of hole 5; sure Figure 1, the hole 5 and the second end 8 being shown in dotted lines.
- the walls 9 are formed by a metal or a metallic compound, preferably with a high antiquity number such as tungsten for example.
- the cathode 3 is located in the longitudinal axis 6 of the hole 5 and, generates an electron beam 10 with axial symmetry and low divergence, along substantially the longitudinal axis 6; the electron beam 10 penetrating the hole 5 through the first end 7, bombards the walls 9 over a length L, less in the non-limiting example described, than the length L 2 of the hole 5, the walls 9 thus constituting a anodic target.
- This length L, and its position relative to the length L 2 of the hole 5, being a function of the divergence of the electron beam 10 and its homogeneity, as well as of the diameter D of the hole 5.
- this bombardment causes X-ray radiation whose emission is favored in a direction A, and which constitutes a first beam of X-ray radiation, FX 1 .
- This beam FX 1 emerges through the second end 8, opposite to that through which the electron beam 10 enters, along an axis identical to longitudinal axis 6, and leaves the tune 1 through an outlet window 14, shown in dotted lines.
- This arrangement is remarkable in that it makes it possible in particular to obtain an X-ray radiation beam, FX ,, containing a very large proportion of the total X-ray radiation (not shown).
- Another important characteristic is that the walls 9 being parallel the beam of radiation FX 1 is shaped by the hole 5 in the shape of a brush, whose limits 15, 16 are parallel or almost parallel to the longitudinal axis 6; the beam of radiation FX 1 in the form of a brush having the same section S as that of the hole 5.
- a fraction of the total X-ray radiation determines a second beam FX 2 which leaves the hole 5 through the first end 7, that is to say the one through which the electron beam 10 enters.
- an X-ray tube 1 in which the cathode 3 emits the electron beam 10 along the longitudinal axis 6, is not limiting; the cathode 3 can be placed differently and emit the electron beam 10 along an axis coincident or not with the longitudinal axis 5.
- the electron beam can also have no axis and follow a curved or arbitrary trajectory thanks to conventional deflection means (not shown), the only condition being that the electrons are present at the entrance to the hole 5, along substantially the longitudinal axis 6 of the latter in order to bombard the walls 9 as uniformly as possible.
- the second end 8 of the hole 5 opaque to X-ray; this can be obtained for example by making a closure of this second end 8 with a plug (not shown), made of an appropriate material, which then prevents the exit of the first beam FX 1 .
- the anode 4 may have a different shape than that shown in FIG. 1, as well as the section S of the hole 5; the main thing being to obtain a beam of radiation FX 1 in the form of a brush, that the walls 9 are constituted by a standardized surface, where the generatrices of this surface (not shown) are parallel to the longitudinal axis 6 of the hole 5 .
- the anode 4 can be made of the same material as that forming, as previously explained, the walls 9 of the hole 5; in this case, a machining of the hole 5 directly offers walls 9 ready to play the role of anodic target.
- the anode 4 may also be made of a different material, and the walls 9 coated on part or over the entire length L 2 of the hole 5, with the appropriate material.
- FIG. 2 An embodiment of an X-ray tube 1 according to the invention is shown in Figure 2 where, elements of the latter are shown in an axial section.
- a deflection lens 20 electrostatic or magnetic as well as in the example described, of the conventional type.
- This deflection lens is arranged on the path of the electron beam emitted by the cathode 3, this electron beam being in FIG. 2 represented by trajectories T 1 , T 2 , T 3 , T 4 , T 5 ,. .. T n of electrons.
- the deflection lens 20 is centered in the non-limiting example described, on the longitudinal axis 6 of the hole 5, and can either be part of the anode 4 itself, or as in the example described, be located at its neighborhood.
- This deflection lens 20 allows, by virtue of a magnetic field (not shown) which it creates, to focus the electrons and to determine these electrons trajectories T 1 , T 2 , ... T n such that they are at slight divergences, in order to penetrate the hole 5 and bombard the walls 9; the X FX 1 radiation beam, not shown in FIG. 2, being identical to FIG. 1.
- Such a deflection lens 20 also makes it possible, by adjusting the strength of the magnetic field that it creates or, by adjusting its position along the longitudinal axis 6, to adjust the length L 1 over which the bombardment of the walls 9, and the position of this length L 1 relative to the length L 2 of the hole 5. This makes it possible to adjust the characteristics of the first beam FX 1 , and possibly of the second beam FX 2 .
- the anode 4 is made of copper and has passages 35, intended to allow the passage of a cooling fluid, the walls 9 being coated with tungsten 36.
- An X-ray tube 1 produces in particular at least one beam FX 1 in the form of a brush, making it possible to obtain a useful beam (not shown) such as an X-ray emission efficiency in this useful beam with respect to to a traditional solution, is increased in a very sensitive ratio.
- such an X-ray tube is particularly well suited to techniques by scanning, and especially in digital radiology.
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Description
- La présente invention concerne un tube à rayons X produisant un faisceau à haut rendement, notamment en forme de pinceau, applicable aux domaines de la radiologie.
- Un tube à rayons X comporte généralement une anode et une cathode, laquelle émet des électrons; ces électrons vont bombarder une partie de l'anode appelée cible anodique, et l'impact de ces électrons sur la surface de la cible anodique détermine un foyer d'où sont émis des rayons X dans toutes les directions. En limitant ce rayonnement X à une direction données, par des systèmes de collimation soit partiellement interne au tube, soit extérieur à ce dernier, on détermine un faisceau utile de rayons X; un tel faisceau utile étant dans tous les cas plus faibles que la totalité du rayonnement X émis au foyer. Ainsi par exemple pour un tube de radiodiagnostic, le faisceau utile de rayonnement X représente environ 5% du rayonnement X émis au foyer, et dans le cas des tubes pour tomodensitomètre, ce pourcentage est de l'ordre de 1%.
- Aussi une puissance électrique s'alimentation du tube, ainsi qu'une perte en chaleur seront d'autant plus importantes que, pour un faisceau utile d'intensité donné, nécessaire à un type d'examen par exemple, la collimation aura été plus forte afin de donner à ce faisceau utile une géométre requise par le'examen.
- En partant d'une tube à rayons X de construction classique, un faisceau utile ne forme de pinceau peut être obtenu grâce à une forte collimation; dans ce cas le faisceau utile représente une fraction négligeable du rayonnement X émis au foyer, pour une énergie considérable dépensée dans l'alimentation électrique de ce tube à rayons X.
- Dans de nombreux tubes à rayons X de l'art antérieur, la cible anodique ou plus exactement les dimensions du point d'impact du faisceau d'électrons sont telles que le rayonnement X a tendance à diverger. Pour limiter cette divergence, il a été proposé dans le brevet anglais GB-A-597 741 d'utiliser, non pas une anode disposée transversalement par rapport au faisceau d'électrons, mais une anode annulaire vers lequelle est dirigé le faisceau électronique incident.
- Dans cet appareil de radiothérapie de l'art antérieur, le faisceau d'électrons incident est fortement divergent et la longueur de l'anode est de l'ordre de grandeur du diamètre de sorte que, d'une part, le rendement énergétique est relativement faible et, d'autre part, le rayonnement X diverge à la sortie de l'anode.
- Le but de la présente invention est donc de réaliser un tube à rayons X du type à anode annulaire qui produit un faisceau à haut rendement énergétique faiblement divergent.
- L'invention concerne un tube à rayons X comportant une cathode générant un faisceau d'électrons, une anode munie d'un trou rectiligne ayant une section sensiblement identique à elle-même sur toute sa longueur, ledit trou ayant des parois intérieures bombardées par le faisceau d'électrons sue une longueur à partir de laquelle est engendré un rayonnement X, ladite cathode étant extérieure à l'anode, ledit faisceau d'électrons pénétrant par une première extrémité du trou sensiblement selon un axe longitudinal de ce dernier, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une lentille de déflexion (20) située sue le trajet du faisceau d'électrons (10), permettant de modifier les trajectoires (T1, ... Tn) des électrons de manière que ces derniers bombardent les parois intérieures (9) du trou (5) sous des angles d'incidences variables et sur une distance L1 variable en position et en longueur, ladite position et ladite longueur bombardée étant choisies en fonction de la divergence du faisceau d'électrons et du diamètre du trou de manière que le rayonnement X émerge par une des extrémité du trou selon un faisceau FX1 conformé dans les limites parallèles ou presence à l'axe longitudinal.
- Nous pensons qu'un faisceau d'électrons pénétrant par une extrémité d'un trou rectiligne et, bombardant les parois intérieures de ce trou sous une faible incidence, tend à favoriser l'émission d'un rayonnement X selon un axe identique à celui du trou. Un tel rayonnement X peut donner naissance à un premier et à un second faisceau X émergeant chacun du trou par une extrémité de celui-ci. Ceci étant dû pour une part à une moindre absorption des rayons X émis dans des directions parallèles ou presque à cet axe; grâce à quoi, ces rayons X ne sont pas absorbés par les parois dans leur trajet pour sortir du trou. De plus, les faisceau X ainsi obtenus peuvent être conformés par le trou dans lequel ils ont pris connaissance, notamment en ce qui concerne la faisceau émergeant par l'extrémité opposée à celle d'entrée du faisceau d'électrons.
- L'invention sera mieux comprise grâce à la description suivante et des deux figures annexées parmi lesquelles:
- -la figure 1 montre par une vue en perspective un tube à rayons X conforme à l'invention;
- -la figure 2 montre des éléments caractéristiques d'un tube à rayons X selon l'invention dans une seconde version de ce tube.
- La figure 1 représente schématiquement par une vue en perspective, un tube 1 à rayons X présentant certaines caractéristiques de l'invention; cette représentation étane limitée à des éléments caractéristiques montrés dans une envelops 2, grâce à une ouverture réalisés dans le dessin de cette envelope.
- L'enveloppe 2 supporte une cathode 3, et par des moyens classique non représentés, une anode 4. Dans l'exemple non limitatif de la description, cette anode 4 est un cylindre muni d'un trou 5 ayant une section S identique à elle-même sur toute une longueur L2 de ce trou. Des parois 9 intérieures du trou 5 sont ainsi parallèles à un axe longitudinal 6 de ce trou 5. Dans l'exemple non limitatif décret, la section S du trou 5 est circulaire, ayant un diamètre D, ainsi donc, que des première et seconde extrémités 7, 8 du trou 5; sur la figure 1, le trou 5 et la seconde extrémité 8 étant représentés en traits pointillés.
- Les parois 9 sont constituées par un mètal ou un composé mètallique, de préference de numéro antomique élevé comme du tungstène par exemple.
- Dans l'exemple non limitatif décrit, la cathode 3 est située dans l'axe longitudinal 6 du trou 5 et, génère un faisceau d'électrons 10 à symétrie axiale et faible divergence, selon sensiblement l'axe longitudinal 6; le faisceau d'électrons 10 pénétrant dans le trou 5 par la première extrémité 7, bombarde les parois 9 sur une longueur L, inférieure dans l'exemple non limitatif décrit, à la longueur L2 du trou 5, les parois 9 constituant ainsi une cible anodique. Cette longueur L, et sa position par rapport à la longueur L2 du trou 5, étant fonction de la divergence du faisceau d'électron 10 et de son homogénéite, ainsi que du diamètre D du trou 5.
- Dans cette disposition et compte tenu de la faible incidence (non représentée) sous laquelle les électrons bombardent les parois 9, ce bombardement provoque un rayonnement X dont l'émission est favorisée dans une direction A, et qui constitue un premier faisceau de rayonnement X, FX1. Ce faisceau FX1 émerge par la seconde extrémité 8, opposée à celle par où pénètre le faisceau d'électrons 10, selon un axe identique à axe longitudinal 6, et sort du tune 1 par une fenêtre de sortie 14, représentée en traits pointillés.
- Cette disposition est remarquable en ce qu'elle permet notamment d'obtenir un faisceau de rayonnement X, FX,, contenant une proportion très importante du rayonnement X total (non représenté). Une autre caractéristique importante est que le parois 9 étant parallèles le faisceau de rayonnement FX1 est conformé par le trou 5 à la forme d'un pinceau, dont des limites 15, 16 sont parallèles ou presque à l'axe longitudinal 6; le faisceau de rayonnement FX1 en forme de pinceau ayant une même section S que celle du trou 5.
- Une fraction du rayonnement X total détermine un second faisceau FX2 qui sort du trou 5 par la première extrémité 7, c'est-à-dire celle par où pénètre le faisceau d'électrons 10.
- Cette description d'un tube 1 à rayons X, dans laquelle la cathode 3 émet le faisceau d'électrons 10 selon l'axe longitudinal 6, n'est pas limitative; la cathode 3 pouvant être placée différement et émettre le faisceau d'électrons 10 selon un axe confondu ou non avec l'axe longitindial 5. Le faisceau d'électron pouvant également n'avoir pas d'axe et suivre une trajectoire courbe ou quelconque grâce à des moyens de déviation classiques (non représentés), la seule condition étant que les électrons se présentent à l'entrée du trou 5, selon sensiblement l'axe longitudinal 6 de ce dernier pour bombarder aussi uniformémentque possible les parois 9.
- Dans le cas où seul le second faisceau FX2 doit être exploité, il est possible de rendre opaque au rayonnement X la seconde extrémité 8 du trou 5; ceci peut être obtenu par exemple en réalisant une fermeture de cette seconde extrémité 8 par un bouchon (non représenté), réalise en un matériau approprié, qui empêche alors la sortie du premier faisceau FX1.
- De même l'anode 4 peut avoir une forme différente que celle montrée sur la figure 1, ainsi que la section S du trou 5; l'essentiel étant pour obtenir un faisceau de rayonnement FX1 en forme de pinceau, que les parois 9 soient constituées par une surface normée, où les génératrices de cette surface (non représentées) sont des parallèles à l'axe longitudinal 6 du trou 5.
- L'anode 4 peut être constituée dans un même matériau que celui formant, ainsi que précéde- ment expliqué, les parois 9 du trou 5; dans ce cas, un usinage du trou 5 offre directement des parois 9 prêtes à jouer le rôle de cible anodique. L'anode 4 peut être également dans un matériau différent, et les parois 9 revêtues sur une partie ou sur toute la longueur L2 du trou 5, du matériau approprié.
- Une réalisation d'un tube 1 à rayons X selon l'invention est montré sur la figure 2 où, des éléments de ce dernier sont représentés selon une coupe axiale.
- On trouve dans cette version de l'invention, une lentille de déflexion 20, électrostatique ou magnétique ainsi que dans l'exemple décrit, de type classique. Cette lentille de déflexion est disposée sur le parcours du faisceau d'électrons émis par la cathode 3, ce faisceau d'électrons étant sur la figure 2 représenté par des trajectoires T1, T2, T3, T4, T5, ... Tn d'électrons. La lentille de déflexion 20 est centrée dans l'exemple non limitatif décrit, sur l'axe longitudinal 6 du trou 5, et peut soit faire partie de l'anode 4 elle-mêne, ou ainsi que dans l'exemple décrit être située à son voisinage.
- Cette lentille de déflexion 20 permet, grâce à un champ magnétique (non représenté) qu'elle crée, de focaliser les électrons et de déterminer à ces électrons des trajectoires T1, T2, ... Tn telles qu'elles soient à faibles divergences, afin de pénétrer dans le trou 5 et de bombarder les parois 9; le faisceau de rayonnement X FX1, non représenté sur la figure 2, étant identique à la figure 1.
- Une telle lentille de déflexion 20, permet également en ajustant la force du champ magnétique qu'elle crée ou, en ajustant sa position le long de l'axe longitudinal 6, d'ajuster la longueur L1 sur laquelle s'effectue le bombardement des parois 9, et la position de cette longueur L1 par rapport à la longueur L2 du trou 5. Ceci permettant d'ajuster les caractéristiques du premier faisceau FX1, et éventuellement du second faisceau FX2.
- Dans l'exemple non limitatif décrit, l'anode 4 est en cuivre et comporte des passage 35, destinés à permettre le passage d'un fluide de refroidise- ment, les parois 9 étant revêtues de tungstène 36.
- Un tube 1 à rayons X conforme à l'invention produit notamment au moins un faisceau FX1 en forme de pinceau, permettant d'obtenir un faisceau utile (non représenté) tel qu'un rendement d'émissions X dans ce faisceau utile par rapport à une solution traditionnelle, est augmenté dans un rapport très sensible.
- Par ses caractéristiques, un tel tube à rayons X est particulièrement bien adapte aux techniques par balayage, et tout particulièrement à la radiologie mumérique.
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